Глава 12. Модификация гистонов

Если бы все дело было только в метилировании ДНК – это была бы проблема, конечно, но только полбеды. Кроме метилирования еще много чего наворочено. Из того, что известно. Но можно предполагать, что есть такое, что неизвестно совсем.

Мой читатель, надеюсь, еще помнит, что есть специальные механизмы, которые засовывают двухметровую ДНК в структуру клетки – ядро – невидимую глазом.

Человеческая ДНК разделена на 46 кусочков, каждый из которых упакован в хромосому, но не просто так. ДНК накручена на гистоновые белки. Их в хромосоме пять разновидностей. Четыре – это коровые гистоны (Н2А, Н2В, Н3 и Н4), вокруг которых – представленных по два в структуру из восьми молекул – кусочек ДНК размером примерно в 146 пар нуклеотидов (п.н.) делает около двух оборотов (точно 1,8) и переходит на следующие восемь коровых белков. Между собой коровые гистоны (в смысле, условно верхний ряд из 4-х гистонов с нижним рядом) связаны еще одной разновидностью белка-гистона (Н1). А расстояние между нуклеосомами по нити ДНК около 60 п.н. А в целом получается что-то вроде бусинок на нитке.

Во заливает! – подумает мой искушенный в биологических науках читатель. Никаких хромосом в ядре клетки нет. Если клетка просто живет и исполняет свои функции. Хромосомы присутствуют только в делящейся клетке, т.е. во время митоза.

Это верно. Вот именно в таком виде, как обычно изображают на рисунках, нет. Но двухметровая ДНК, разделенная на 46 кусочков, никуда не делась. Чтобы разместить два метра в ядре – в структуре меньшей, чем 1/10 толщины человеческого волоса – нужно поистине неординарные ухищрения.   Намотка цепи ДНК на гистоны уменьшает её длину в 5-7 раз. Далее нить с нуклеосомами закручивается определенным образом, образуя фибриллу, в результате чего длина ДНК сокращается примерно в 40 раз. Но это еще не всё. Далее организуются петли с концами, укрепленными на белковом скелете ядра. Это дополнительно уменьшает длину ДНК примерно в 700 раз.

Когда после деления клетки происходит «растворение» – декомпактизация хромосом, долгое время считали, что кусочки ДНК из 46 хромосом располагаются в ядре, как Бог на душу положит.

Но оказалось, что несмотря на то, что хромосомы, как структуры особой формы, в ядре не существует, ДНК никоим образом не перемешиваются друг с другом, но каждый фрагмент занимает строго своё пространство, названное хромосомной территорией.

Если посмотреть на окрашенное ядро клетки в оптический микроскоп, то можно заметить, что окраска ядра не равномерная. Есть более интенсивно окрашенные участи. Это те, что чаще обращены к ядерной оболочке. Так называемый гетерохроматин. И есть более светлые – в центре ядра – эухроматин. Вот там – в эухроматине – все основные события в жизни клетки и происходят. Т.е. идет считывание информации с генов для синтеза жизненно необходимых белков. А в гетерохроматине? В гетерохроматине все спят.

Как выглядит любая аминокислота? У нее есть два конца. В условно головном конце обязательно присутствует аминогруппа (NH2), а в хвостовом – карбоновая группа (СООН), характерная для любых органических кислот (1).  Белок – это цепочка из аминокислот. Какой бы длины она не была, с одного конца у неё есть аминогруппа, с другого – карбоновая группа.

Посмотрите на рисунок коровых гистоновых белков из предыдущей главы. Такой гистоновый белок упакован в плотную пространственную структуру, из которой выглядывает хвостик – конечная или начальная аминокислотная последовательность. Потому на конце такого хвостика будет либо аминогруппа, либо карбоксильная группа. А по длине в хвостике может быть до 30 аминокислот. Целые хвостищи.

Одним из праотцов эпигенетики назван профессор Университета Рокфеллера (Rockefeller University) Винсент Олфри (Vincent G. Allfrey). Дело было в середине 60-х годов прошлого века. В то время о гистонах уже знали, они были открыты в 1884 году немецким врачом, физиологом и биохимиком Альбрехтом Косселем (Ludwig Karl Martin Leonhard Albrecht Kossel). Однако считалось, что гистоны – это что-то вроде клея белковой природы для склеивания ДНК в виде хромосом.

Олфри с коллегами изучал гистоны. Они обнаружили, что в структуре гистоновых белков непропорционально много содержится аминокислоты лизина, особенностью которой является способность легко присоединять  ацетил – остаток уксусной кислоты (СН3СО).  Олфри выдвинул предположение, что гистоны участвую в передаче информации от ДНК к РНК.

Остаток уксусной кислоты присоединяется к амино-хвостам коровых гистонов Н3 и Н4. Процесс называется ацетилированием.

Ацетилирование – важный механизм эпигенетической регуляции. Установили, что молекула ДНК несет на себе отрицательный заряд, а коровые гистоны, точнее вот эти растопыренные в разные стороны хвосты богатые лизином, – положительный. Потому как плюс притягивается к минусу, гистоны с накрученной ДНК довольно сильно прильнули друг к другу, так, что нет никакой щелки для построения РНК. И потому считать в этом месте информацию невозможно.

И вот лизин присоединяет остаток уксусной кислоты, которых (остатков), нужно заметить в организме полно, потому как они являются продуктом окисления глюкозы. И положительный заряд гистонов нейтрализуется. В результате цепь ДНК в месте ацетилирования получает свободу и на ней запускается процесс транскрипции информации.

Ацетилирование, таким образом, способствует и усиливает экспрессию генов.

А если эти гены больше не нужны появляется фермент деацетилаза, который удаляет из ацетиллизина(ацетилированного лизина) остаток уксусной кислоты, гистоны и цепь ДНК опять плотно слипаются, и транскрипция с гена прекращается.

Но гистоны можно модифицировать и другими способами: фосфорилированием, и также метилированием, а еще, не к ночи помянутыми, убиквитинированием и сумоилированием.

Ацетилирование и фосфорилирование гистонов реакции обратимые, а вот метилирование гистонов может наглухо и бесповоротно запереть ДНК.

Все вместе модификации гистонов образуют гистоновый код, который наследуется в течение 3 – 4 поколений. А потом может исчезнуть или, скорее всего, замениться на другой.

(1) Самая простая аминокислота в человеческих белках – глицин. Её структурная формула:  NH2 – CH2 – COOH.

Окончание http://proza.ru/2021/05/23/886